Fer envasos sostenibles per a serveis d'alimentació depèn d'una enginyeria mecànica sòlida. El projecte transforma l'inventari de paper aplanat en productes pràctics i tridimensionals. L'eina principal per a aquest treball és elMàquina de formació de plaques de paper hidràulica.El sistema utilitza hidrodinàmica, control tèrmic i comandaments automàtics. Les peces funcionen juntes, de manera que la producció es manté igual. És important entendre cada part i què fa. Els operadors, reparadors i compradors necessiten aquest coneixement. L'utilitzen per comprovar el rendiment de la màquina o resoldre problemes. La tecnologia no sembla tan centrada en els números de sortida com en els materials de venda. En canvi, estudia els interiors d'aquestes màquines. Aquest estudi adopta regles estàndard d'enginyeria i normes de la indústria. Cada part té un paper definit. Aquests rols garanteixen que la pressió, la calor i el temps coincideixin bé. Aquesta combinació produeix un munt de plaques de paper de qualitat.
La unitat d'energia hidràulica: sistema de generació de cor i pressió
La unitat d'energia hidràulica (HPU) és la principal font d'energia de qualsevol màquina de formació de plaques de paper hidràulica. El dispositiu disposa d'un motor elèctric, bomba hidràulica, acumulador d'energia, filtre i vàlvules d'alleujament de pressió. Basat en llibres hidrodinàmics bàsics, la tasca principal de l'HPU és convertir l'electricitat en energia hidràulica. Aquesta energia es manté en el fluid a pressió [1]. La bomba trasllada l'oli des del dipòsit al circuit del sistema. Aquest flux crea pressió quan es troba la resistència del cilindre de conformació.
Les noves HPU utilitzen bombes de desplaçament variable en lloc de bombes fixes. Les bombes variables segons el sistema en temps real necessiten canviar la sortida. Això redueix el malbaratament d'energia quan la màquina està inactiva o a baixa pressió. Els estudis sobre l'ús d'energia han demostrat que els sistemes de conversió de freqüència poden reduir el consum d'electricitat entre un 20% i un 30%. Això es compara amb l'antic sistema de flux constant en premsa circular [2]. Els filtres de les HPU mantenen els fluids nets als nivells ISO 4406. Això evitarà que el nucli s'enganxi i el desgast del segell. En cas contrari, la pressió serà desigual i les peces es trencaran prematurament. Sense seleccionar o mantenir l'HPU, cap altra part del sistema funcionarà.
Vàlvules de control direccional i ajust de cabal
Una vegada que el fluid a pressió surt de l'HPU, les vàlvules de control direccionals determinen la direcció i el temps del flux. Aquestes peces electromecàniques actuen com el sistema nerviós d'una màquina de formació de plaques de paper hidràulica. Reben el seu senyal del controlador lògic programable (PLC). A continuació, mouen el nucli per enviar oli a l'extensió o al port de recuperació del cilindre principal. Les vàlvules proporcionals són ara tecnologia estàndard. Proporcionen un flux ajustable, no només interruptors.
L'estudi dels sistemes de control electrohidràulic mostra que la vàlvula proporcional pot fer que el canvi de velocitat sigui constant. Això elimina l'impacte mecànic dels interruptors de vàlvules discrets [3]. Aquest moviment suau és molt important per a la formació del plat de paper. Si el moviment d'estampació és massa ràpid o sobtat, el paper es desplaçarà, les vores es formaran desiguals o el recobriment es farà malbé. Les vàlvules de control de flux, que solen formar un bloc col·lector amb una vàlvula de commutador, poden controlar les seves pròpies velocitats d'allargament i retracció. Això funciona fins i tot si la càrrega canvia. Així, fins i tot si el gruix o la humitat del paper varia entre lots, el recorregut d'emmotllament segueix sent el mateix. Això afecta directament la uniformitat del producte i la repetibilitat de la circulació.
El cilindre de conformació principal i els kits de motlle
El cilindre de conformació és una peça que converteix la pressió hidràulica en força mecànica. Aquesta força dóna forma al paper en plaques. En una màquina de formació de plaques de paper hidràulica típica, es tracta d'un cilindre de doble acció. Les seves dimensions de perforació estan configurades per produir un tonatge suficient a la pressió de treball màxima del sistema. L'enginyeria matemàtica de l'emmotllament de la pasta demostra que una bona pressió de conformació ha de superar dos problemes. Un és el rebot elàstic de les fibres comprimides. Un altre és la viscositat dels recobriments termoplàstics quan s'escalfen [4].
El conjunt de la matriu es troba a l'extrem de la barra del cilindre. Combinava motlles superior i inferior. Normalment són d'alumini o acer i tenen canals de calefacció a l'interior. El disseny de matriu estableix la mida de la placa, l'estil de la vora, l'apilament de plaques com una sola. El mecanitzat de precisió de passadors d'alineació i casquilles de guia manté el mig nucli de la matriu. Això evita un gruix desigual de la paret i l'aprimament dels panells. El flux de calor del material de matriu afecta directament el temps de cicle. Els motlles d'alumini s'escalfen més ràpidament que els motlles d'acer. Però l'alumini es desgasta més ràpidament. Per tant, els enginyers han de triar entre els requisits de sortida i els tipus de paper. La unió del cilindre i la matriu és la confluència de tots els treballs hidràulics i de control aigües amunt. Allà és on es fa el producte real.
Sistemes de calefacció i components de gestió tèrmica
L'emmotllament de plaques de paper és un procés de termoconformat. Per tant, necessita un control precís de la temperatura. Els elements de calefacció es troben a la cavitat de la matriu. Activen el material de recobriment i configuren l'estructura de la fibra mitjançant un escalfament controlat. Els tipus més comuns són els elements de calefacció capacitius o tubulars. Les seves dimensions es determinen segons la densitat de potència. Aquests requisits provenen de la qualitat del motlle i la temperatura objectiu.
Els controladors de temperatura utilitzen algorismes PID. Els controladors han estat canviant la potència de l'escalfador. Mantenen el punt de consigna dins de + -2 graus . Els estudis sobre el tractament tèrmic de materials de cel·lulosa mostren que la temperatura de la superfície de la matriu és més important que la temperatura real. En algunes zones, els punts calents cremen el recobriment. Els punts freds d'altres zones poden provocar un segellat i una separació deficients entre capes [5]. Els termoparells es troben en diferents regions. Envien comentaris al controlador. Això permet que cada zona del motlle s'ajusti. Els circuits de refrigeració, de vegades instal·lats en els mateixos mòduls, extreuen calor ràpidament després de formar-se. Això estabilitza la forma de la placa abans d'expulsar-la. El sistema de gestió tèrmica funciona conjuntament amb el sistema hidràulic. El seu rendiment s'estableix en cicle com
el més ràpid possible. Per molt bona que sigui la hidràulica.
Sistema de control elèctric i enclavaments de seguretat
El controlador lògic programable (PLC) i les interfícies home-màquina (HMI) són el cervell de les màquines de paper hidràuliques. El PLC funciona segons una lògica pas a pas. Aquesta lògica controla les accions de la vàlvula, els canvis de l'escalfador, les comprovacions del sensor i la detecció d'avaries. Els controladors moderns emmagatzemen moltes configuracions del producte. Com a resultat, els operadors poden recordar els millors paràmetres en funció de diferents mides i materials de plaques. No han de tornar a configurar-ho tot manualment.
Els components de seguretat són una part indispensable del sistema de control. Les cortines de llum, els botons a dues mans, els circuits d'aturada d'emergència i els panys mecànics per a resguards segueixen les normes de seguretat ISO 13849. Aquestes regles protegeixen les persones dels perills de la compressió i la calor [6]. Els relés de nivell de seguretat comproven els interruptors de posició de guàrdia. Si la barrera de protecció s'obre durant un moviment perillós, aturarien la bomba hidràulica. Els sensors de pressió i els codificadors de posició envien retroalimentació al PLC. Això permet un control adaptatiu. El sistema es pot ajustar per al desgast, els canvis de gruix del fluid o les diferències de material. Aquesta combinació de seguretat i control de processos permet que la màquina funcioni dins dels límits establerts. També protegeix els treballadors de la pressió intensa i la calor del conformat hidràulic.
Conclusió
Una màquina de formació de plaques de paper hidràulica un sistema complet. El rendiment de cada part afecta directament el rendiment global. La hidràulica proporciona l'energia necessària. Les vàlvules direccionals i proporcionals controlen el moviment precís. El conjunt de tambor de conformació i matriu està format físicament. Els sistemes tèrmics gestionen la resposta del material a la calor. El sistema de control elèctric executa totes les funcions per garantir la seguretat de l'operador. Comprendre aquestes parts i com depenen les unes de les altres pot ajudar les persones a prendre les decisions correctes. Aquestes opcions inclouen la selecció d'equips, prioritats de manteniment i millores de processos. A mesura que la indústria avança cap a una producció més sostenible i eficient, un millor disseny d'aquests components bàsics determinarà quins fabricants poden satisfer les noves demandes del mercat amb una producció estable i d'alta qualitat. El coneixement tècnic en aquestes àrees segueix sent la base de la força competitiva per a la fabricació d'envasos d'un sol ús.
Referències
[1] Manring, N. i Johnson, R. (2021).Sistemes de control hidràulic: teoria i pràctica. Wiley Academic Press. Material didàctic complet que cobreix el disseny de la unitat de potència hidràulica, la selecció de bombes i els principis bàsics de l'estructura del circuit per a aplicacions de premsa industrial.
[2] Ivantysynova, M. i Weber, J. (2022). "Millora de l'eficiència del sistema hidràulic mitjançant la tecnologia de desplaçament variable".Revista internacional d'energia fluida, 23(1), 45-62. En aquest article, s'estudia quantitativament l'estalvi energètic dels sistemes de bombes adaptatives.
[3] Jelali, M. i Saha, B. (2023).Tecnologia electrohidràulica de servovàlvules i vàlvules proporcionals. Publicacions d'enginyeria de Springer. Materials de referència acadèmics per a la dinàmica de vàlvules proporcionals, les característiques de resposta i les capacitats de perfils de moviment per a aplicacions de conformació de precisió.
[4] TAPPI (2022). "Requisits mecànics i tèrmics per als envasos de fibra termoformada".TAPPI Journal Technical Papers, 21(9), 78-89. Publicació de l'Associació Tècnica que documenta els paràmetres de pressió i temperatura necessaris per a una compressió eficaç de la fibra de cel·lulosa i l'activació del recobriment.
[5] Didone, M. i Dumon, J. (2021). Uniformitat de transferència de calor en l'emmotllament de pasta: estratègies de mesura i optimització.Enginyeria Tèrmica Aplicada, 117452. Es va estudiar la influència del gradient tèrmic en la qualitat del producte i el temps de cicle durant el procés d'emmotllament.
[6] Organització Internacional per a la Normalització (2023).ISO 13849-1:2023 Components relacionats amb la seguretat mecànica i la seguretat dels sistemes de control. Norma tècnica ISO. Normes internacionals de seguretat que defineixen els requisits de nivell de rendiment per a la fiabilitat dels dispositius de protecció i sistemes de control en equips de premsa hidràulica.